4. Granica funkcji#

4.1. Granica właściwa#

Narration

Niech \(\emptyset\neq A \subseteq \rr\).

Definicja 4.1

Punkt \(x_0\in \rr\) nazywamy punktem skupienia zbioru \(A\), jeśli

\[\forall \epsilon > 0 \ \exists x\in A \quad x\in S(x_0,\epsilon).\]

Stwierdzenie 4.1

Punkt \(x_0\in\rr\) jest punktem skupienia zbioru \(A\subseteq \rr\) wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje ciąg \((a_n)\) o wyrazach ze zbioru \(A\setminus\Set{x_0}\) i \(\LimInfty a_n = x_0.\)

Przykład 4.1

GEOGEBRA

Dla przykładu punkty skupienia zbioru:

  1. \(A_1 = \Set{\pi}\) to punkty zbioru \(\emptyset\)

  2. \(A_2 = (-1,2)\cup \Set{e}\) to punkty \([-1,2]\)

  3. \(A_3 = \Set{\frac 1 n : n\in \nn}\) to punkty zbioru \(\Set{0}\)

  4. \(A_4 = \nn\) to punkty zbioru \(\emptyset\)

  5. \(A_5 = \rr\setminus\zz\) to punkty zbioru \(\rr\)

  6. \(A_6 = \qq\) to punkty zbioru \(\rr\).

Definicja 4.2

Punktem izolowanym zbioru \(A\) nazywam \(x_0\in A\), który nie jest punktem skupienia \(A\).

Przykład 4.2

GEOGEBRA

Dla przykładu punkty izolowane zbioru:

  1. \(A_1 = \Set{\pi}\) to punkty zbioru \(A_1\)

  2. \(A_2 = (-1,2)\cup \Set{e}\) to punkty zbioru \(\Set{e}\)

  3. \(A_3 = \Set{\frac 1 n : n\in \nn}\) to punkty zbioru \(A_3\)

  4. \(A_4 = \nn\) to punkty zbioru \(A_4\)

  5. \(A_5 = \rr\setminus\zz\) to punkty zbioru \(\emptyset\)

  6. \(A_6 = \qq\) to punkty zbioru \(\emptyset\).

Narration

Niech \(f:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

Definicja 4.3

Granicą (skończoną lub właściwą) funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\), w sensie Cauchy’ego, nazywamy liczbę \(g\in\rr\), jeśli

\[ \forall \epsilon > 0\ \exists \delta_\epsilon>0 \ \forall x\in X \quad 0 < |x - x_0| < \delta_\epsilon \imply |f(x)-g| < \epsilon. \]

Granicą (skończoną lub właściwą) funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\), w sensie Heinego, nazywamy liczbę \(g\in\rr\), jeśli dla każdego ciągu \((a_n)\) o wyrazach ze zbioru \(X\setminus\Set{x_0}\)

\[\LimInfty a_n = x_0 \imply \LimInfty f(a_n) = g.\]

Jeśli granica istnieje, to piszemy: \(\qquad \LimIn{x_0} f(x) = g \quad\) lub \(\quad \displaystyle f(x) \xrightarrow[x \to x_0]{} g \quad\) i mówimy, że funkcja jest zbieżna w punkcie \(x_0\) do granicy \(g\).

Uwaga 4.1

GEOGEBRA

  1. Jeśli granica funkcji w punkcie istnieje, to jest wyznaczona jednoznacznie.

  2. Obie powyższe definicje granicy funkcji w punkcie są równoważne i w dalszej części wykładu będziemy korzystać z jednej lub drugiej w zależności od przydatności w danej sytuacji.

    Zauważmy, że aby sprawdzić definicję w sensie Cauchy’ego musimy „domyślić się” jaka jest granica.

    Z drugiej strony w definicji w sensie Heinego możemy wstawić ciąg \((a_n)\) zbieżny do \(x_0\) i policzyć \(\LimInfty f(a_n) = g\), ale to nie implikuje, że \(g\) jest granicą \(f\) w \(x_0\).

  3. Granica funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) to liczba \(g\in\rr\) o tej własności, że dla dowolnie małego \(\epsilon>0\), możemy znaleźć małe sąsiedztwo \(x_0\) (o promieniu \(\delta_\epsilon\)), w którym wartości \(f\) należą do otoczenia \(g\) o promieniu \(\epsilon\).

Przykład 4.3

  1. Pokażmy z definicji Cauchy’ego, że \(\LimIn{-1} 2x + 5 = 3,\) czyli

    \[ \forall \epsilon >0 \ \exists \delta_\epsilon>0 \ \forall x\in \rr \quad 0 < |x - (-1)| < \delta_\epsilon \imply |2x+5-3| < \epsilon. \]

    Zauważmy, że

    \[ |2x+5-3| = 2|x+1| < \epsilon \qlq |x- (-1)| < \frac \epsilon 2. \]

    Zatem biorąc \(\delta_\epsilon = \frac \epsilon 2\) pokazujemy, że zdanie z definicji jest spełnione.

  2. Pokażmy z definicji Heinego, że \(\LimIn{0} \frac {2x^2 - 5x}{x^2 -x} = 5.\)

    Weźmy dowolny ciąg \((a_n)\) o wyrazach \(a_n \notin \Set{0,1}\), dla którego \(\LimInfty a_n = 0\).

    Wtedy

    \[ \LimInfty f(a_n) = \LimInfty \frac {2a_n^2 - 5a_n}{a_n^2 -a_n} = \LimInfty \frac {\bcancel{a_n}(2a_n - 5)}{\bcancel{a_n}(a_n -1)} = \frac {2 \LimInfty a_n - 5}{\LimInfty a_n -1} =\frac {-5}{-1} = 5. \]

Ćwiczenie 4.1

GEOGEBRA

Wykaż, że nie istnieje granica \(\LimIn{0} \sin \frac 1 x.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 4.12, Ćw. 4.14.

Przykład 4.4

Weźmy \(f:\rr \to \rr\) zadaną wzorem \(f(x) = \begin{cases} 2x, & \text{dla } x\in \qq \\ 0, & \text{w p.p.} \end{cases}. \)

  1. Sprawdźmy, że \(\LimIn{0} f(x) = 0\) używając definicji Cauchy’ego.

    Dla ustalonego \(\epsilon > 0\) musimy znaleźć \(\delta_\epsilon > 0\) dające zadość warunkowi

    \[0< |x - 0| < \delta_\epsilon \imply |f(x) - 0| < \epsilon.\]

    Ponieważ \(|f(x) - 0| \leq 2|x|\), to wystarczy wziąć \(\delta_\epsilon = \frac \epsilon 2\), bo prawdą jest, że

    \[0< |x| < \frac \epsilon 2 \imply |f(x)| < 2\cdot \frac \epsilon 2 = \epsilon.\]
  2. W pozostałych punktach \(f\) nie ma granicy i zdecydowanie łatwiej jest to pokazać z definicji Heinego.

    Istotnie, dla \(x_0\in\qq\setminus\Set{0}\),

    • biorąc \(\qq \ni a_n = x_0 + \frac 1 n \LimToInfty x_0\), otrzymamy \(f(a_n) = x_0 + \frac 1 n \LimToInfty x_0\)

    • biorąc \(\qq \not\ni b_n = x_0 + \frac {\sqrt 2} n \LimToInfty x_0\), otrzymamy \(f(b_n) = 0 \LimToInfty 0\).

      Ponieważ \(x_0\neq 0\), \(\LimIn{x_0} f(x)\) nie istnieje.

      Analogicznie dla \(x_0\notin \qq\).

Narration

Z postaci definicji Heinego, łatwo uogólnić własności granic ciągów na granice funkcji.

Stwierdzenie 4.2

Niech \(f:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

  1. \( \LimIn{x_0} f(x) = 0 \Leftrightarrow \LimIn{x_0} |f(x)| = 0\);

  2. \( \LimIn{x_0} f(x) = g \Rightarrow \LimIn{x_0} |f(x)| = |g|\);

Twierdzenie 4.3 (o działaniach arytmetycznych na granicach)

Niech \(f,h:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

Niech \(c\in \rr\) i załóżmy, że \(\LimIn{x_0} f(x) = a\) i \(\LimIn{x_0} h(x) = b.\)

Wówczas:

  1. \(\LimIn{x_0} c\cdot f(x) = c\cdot a\ \)

  2. \(\LimIn{x_0} f(x) \pm h(x) = a \pm b\ \)

  3. \(\LimIn{x_0} f(x) \cdot h(x) = a \cdot b\ \)

  4. \(\LimIn{x_0} \frac{f(x)} {h(x)} = \frac a b\), jeśli tylko \(b\neq 0\ \).

Twierdzenie 4.4 (o trzech funkcjach)

Niech \(f,g,h:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

Jeśli

\[ \LimIn{x_0} f(x) = \LimIn{x_0} h(x) = b. \quad\text{oraz}\quad \exists r >0 \ \forall x\in S(x_0,r) \quad f(x) \leq g(x) \leq h(x), \]

to \(\LimIn{x_0} g(x) = b.\)

Wniosek 4.5

Jeśli \(\LimIn{x_0} f(x) = 0\) i \(g(x)\) jest ograniczona dla \(x\in S(x_0,r)\), to \(\LimIn{x_0} f(x)\cdot g(x) = 0.\)

4.2. Granica funkcji trygonometrycznych#

SageMath (Ukryj)

../_images/a7bb3c6b5ac5419ec195290c9d8fa24908f21e10e9c898b3517d1c5d89e35ead.png

Przykład 4.5

Pokażmy, że:

\[ \LimIn[\alpha]{0} {\sin \alpha} = 0, \qquad \LimIn[\alpha]{0} {\cos \alpha} = 1, \qquad \LimIn[\alpha]{0} \frac {\sin \alpha} \alpha = 1. \]

W sytuacji jak na rysunku obok, dla \(\alpha \in \Paren{0, \frac \pi 2}\) widzimy, że pole \(\Delta OAB\) jest mniejsze od pola wycinka \(OAB\), a ten jest mniejszy od pola \(\Delta OAC\).

Przyjmując promień okręgu równy \(R\) otrzymujemy:

\[\begin{split} \frac 1 2 R \cdot R \sin\alpha & < \frac 1 2 R^2 \alpha < \frac 1 2 R \cdot R \tg \alpha \\ \sin\alpha & < \alpha < \frac {\sin \alpha} {\cos \alpha} & & \Big| \cdot \frac 1 {\sin \alpha} > 0 \\ 1 & < \frac \alpha {\sin \alpha} < \frac {1} {\cos \alpha} & & \Big| \Paren{\cdot}^{-1} \\ 1 & > \frac {\sin \alpha} \alpha > {\cos \alpha}. \end{split}\]

Dla \(\alpha \in \Paren{-\frac \pi 2, 0}\) mamy \(-\alpha \in \Paren{0, \frac \pi 2}\), więc

\[ \cos \alpha = \cos \Paren{-\alpha} < \frac{\sin\Paren{-\alpha}}{-\alpha} \Brack{= \frac{\sin {\alpha}}{\alpha} } < 1. \]

Podsumowując,

\[ 0 < \cos \alpha < \frac{\sin {\alpha}}{\alpha} < 1 \qtq[dla] \alpha \in \Paren{-\frac \pi 2, 0}\cup \Paren{0, \frac \pi 2}. \]

Stąd już łatwo widać, że:

  1. Ponieważ \(0 < \dfrac {\sin \alpha} \alpha < 1\), to

    \[ 0 < \frac {\Absolute{\sin \alpha}} {\Absolute{\alpha}} < 1 \qlq 0 < {\Absolute{\sin \alpha}} < {\Absolute{\alpha}} \LimTo[\alpha]{0} 0. \]

    Z twierdzenia o 3. funkcjach \(\quad \LimIn[\alpha]{0} {|\sin \alpha|} = \LimIn[\alpha]{0} {\sin \alpha} = 0.\)

  2. Ponieważ

    \[ 1 - \sin^2 \frac \alpha 2 = \cos \alpha < \frac {\sin \alpha} \alpha < 1, \]

    to \(\quad \LimIn[\alpha]{0} \cos \alpha = 1 - \LimIn[\alpha]{0}{\sin^2 \frac \alpha 2} = 1 \quad\) oraz z twierdzenia o 3. funkcjach \(\quad \LimIn[\alpha]{0} \frac {\sin \alpha} \alpha = 1.\)

Warto sobie uświadomić, że na mocy definicji Heinego oznacza to, że dla każdego ciągu \(a_n \LimToInfty 0\) mamy \(\LimInfty \frac {\sin a_n} {a_n} = 1\).

Dla przykładu:

\[ \LimInfty \frac {\sin \frac 1 n} {\frac 1 n} = \LimInfty n \cdot {\sin \frac 1 n} = 1 \qtq[oraz] \LimInfty \frac {\sin \Paren{\sqrt[n]{n} - 1}} {\sqrt[n]{n} - 1} = 1 , \quad etc.. \]

Ale proszę być uważnym!

\(\LimInfty \frac {\sin n} {n} \neq 1,\) bo \(\LimInfty n \neq 0\) !

4.3. Granica niewłaściwa#

Narration

Niech \(f:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

Definicja 4.4

Funkcja \(f\) ma w punkcie \(x_0\) granicę niewłaściwą \(\pm\infty\), w sensie Cauchy’ego, jeśli

\[ \forall M\in\rr \ \exists \delta_M > 0 \ \forall x\in X \quad 0 < |x - x_0| < \delta_M \imply \pm f(x) > M. \]

Funkcja \(f\) ma w punkcie \(x_0\) granicę niewłaściwą \(\pm\infty\), w sensie Heinego, jeśli dla każdego ciągu \((a_n)\) o wyrazach ze zbioru \(X\setminus\Set{x_0}\)

\[\LimInfty a_n = x_0 \imply \LimInfty f(a_n) = \pm \infty.\]

Jeśli definicja jest spełniona, to piszemy: \(\qquad \LimIn{x_0} f(x) = \pm \infty \quad\) lub \(\quad \displaystyle f(x) \xrightarrow[x \to x_0]{} \pm \infty \quad\) i mówimy, że funkcja w punkcie \(x_0\) jest (ro)zbieżna do \(\pm\) nieskończoności.

Uwaga 4.2

GEOGEBRA

  1. Po raz kolejny definicje w obu sensach są równoważne.

  2. W powyższej definicji, jak i w dalszej części wykładu, napis \(\pm\infty\) oznacza, że wybieramy jedno z dwóch: \(-\infty\) albo \(+\infty\).

  3. Funkcja \(f\) w punkcie \(x_0\) jest rozbieżna do \(+\infty\) (odp. \(-\infty\)), jeśli dla dowolnie dużego \(M \in \rr\), możemy znaleźć małe sąsiedztwo \(x_0\) (o promieniu \(\delta_M\)), w którym wartości \(f\) są większe niż \(M\) (mniejsze od \(-M\)).

Przykład 4.6

Pokażmy z definicji Cauchy’ego, że \(\LimIn{0} \frac 1 {x^2} = +\infty,\) czyli

\[ \forall M\in\rr \ \exists \delta_M > 0 \ \forall x\in \rr \quad 0 < |x - 0| < \delta_M \imply \frac 1 {x^2} > M. \]

Zauważmy, że: - Jeśli \(M \leq 0\), to \(\forall x\neq 0 \; \frac 1 {x^2} > M\), więc zdanie z definicji jest prawdziwe np. \(\delta_M = 1.\)

  • Jeśli \(M > 0\), to \( \quad \dfrac 1 {\sqrt M} > |x - 0| \qlq \dfrac 1 {M} > |x|^2 = x^2 \qlq \dfrac 1 {x^2} > M. \quad \)

Zatem biorąc \(\delta_M = \frac 1 {\sqrt M}\) widzimy, że zdanie z definicji jest prawdziwe.

Ćwiczenie 4.2

Wykażmy, że \(f(x) = \dfrac 1 x\) nie ma granicy niewłaściwej w punkcie \(x_0 = 0\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 4.12, Ćw. 4.14.

Stwierdzenie 4.6

Niech \(f,h:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

Niech \(c > 0\) i załóżmy, że \(\LimIn{x_0} f(x) = \LimIn{x_0} h(x) = \pm \infty\) (obie takie same!).

Wówczas:

  1. \(\LimIn{x_0} \frac 1 {f(x)} = 0 \ \)

  2. \(\LimIn{x_0} -f(x) = \mp\infty \ \)

  3. \(\LimIn{x_0} c\cdot f(x) = \pm\infty \ \)

  4. \(\LimIn{x_0} f(x) + h(x) = \pm\infty\ \)

  5. \(\LimIn{x_0} f(x) \cdot h(x) = +\infty\ \).

Stwierdzenie 4.7

Niech \(g,h:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

Załóżmy, że \(\LimIn{x_0} g(x) = 0\), \(\LimIn{x_0} h(x) = \pm \infty\) oraz istnieje (niekoniecznie właściwa) granica \(c = \LimIn{x_0} g(x)\cdot h(x)\).

Wówczas

\[\begin{split} \LimIn{x_0} \left(1 + g(x) \right)^{h(x)} = \begin{cases} 0 & \text{dla } c = -\infty \\ e^{c} & \text{dla } c\in\rr \\ +\infty & \text{dla } c = +\infty \end{cases} . \end{split}\]

4.4. Granica jednostronna#

Narration

Niech \(f:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zbioru \(X\).

Definicja 4.5

Jeśli \(x_0\) jest punktem skupienia \(X\cap (-\infty, x_0)\) i istnieje (właściwa lub niewłaściwa) granica

\[\LimIn{x_0} f|_{X\cap (-\infty, x_0)}(x) = g_-,\]

to nazywamy ją lewostronną granicą funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) i piszemy \(\quad {\LimIn{x_0^-} f(x) = g_-}\) .

Jeśli \(x_0\) jest punktem skupienia \(X\cap (x_0, + \infty)\) i istnieje (właściwa lub niewłaściwa) granica

\[\LimIn{x_0} f|_{X\cap (x_0, + \infty)}(x) = g_+,\]

to nazywamy ją prawostronną granicą funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) i piszemy \(\quad {\LimIn{x_0^+} f(x) = g_+}\) .

Uwaga 4.3

Z definicji jasno wynika, że wszystkie twierdzenia dotyczące granic funkcji są prawdziwe dla granic jednostronnych.

Ćwiczenie 4.3

Policzmy \(\LimIn{0^+} \sqrt[\sin x]{\cos^2 x}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 4.10, Ćw. 4.11, Ćw. 4.13.

Stwierdzenie 4.8

Niech \(f:X \to \rr\) i \(x_0\) będzie punktem skupienia zarówno zbioru \(X\cap (-\infty, x_0)\) jak i \(X\cap (x_0, + \infty)\).

Wówczas \(\LimIn{x_0} f(x)\) istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy granice jednostronne istnieją i są sobie równe.

W tym przypadku

\[\LimIn{x_0^-} f(x) = \LimIn{x_0^+} f(x) = \LimIn{x_0} f(x).\]

Ćwiczenie 4.4

Wykażmy, że nie istnieje granica \(\LimIn{0} \frac x {|x|}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 4.11, Ćw. 4.12, Ćw. 4.14.

4.5. Granica w nieskończoności#

Narration

Niech \(f:X \to \rr\) i \(X\) będzie zbiorem nieograniczonym z góry, czyli \(\forall M\in\rr \ X \cap (M, + \infty)\neq \emptyset.\)

Wówczas istnieje ciąg \((a_n)\) o wyrazach z \(X\) taki, że \(\LimInfty a_n = + \infty.\)

Definicja 4.6

Granicą funkcji \(f\) w \(+ \infty\), w sensie Cauchy’ego, nazywamy liczbę \(g\in\rr\), jeśli

\[ \Forall {\epsilon > 0} \Exists {m_\epsilon>0} \Forall {x\in X} x > m_\epsilon \imply |f(x)-g| < \epsilon . \]

Granicą funkcji \(f\) w \(+ \infty\), w sensie Heinego, nazywamy liczbę \(g\in\rr\), jeśli dla każdego ciągu \((a_n)\) o wyrazach ze zbioru \(X\)

\[ \LimInfty a_n = +\infty \imply \LimInfty f(a_n) = g . \]

Funkcja \(f\) ma w \(+\infty\) granicę niewłaściwą \(\pm\infty\), w sensie Cauchy’ego, jeśli

\[ \forall M\in\rr \ \exists m_M > 0 \ \forall x\in X x > m_M \imply f(x) > M . \]

Funkcja \(f\) ma w \(+\infty\) granicę niewłaściwą \(\pm\infty\), w sensie Heinego, jeśli dla każdego ciągu \((a_n)\) o wyrazach ze zbioru \(X\)

\[ \LimInfty a_n = +\infty \imply \LimInfty f(a_n) = \pm \infty. \]

Jeśli granica istnieje, to piszemy

\[ \qquad \emphmath{\LimIn{+\infty} f(x) = g} \text{ (odpowiednio } \emphmath{\pm\infty}) \quad \text{lub} \quad \emphmath{f(x) \xrightarrow[x \to +\infty]{} g} \text{ (odpowiednio } \emphmath{\pm\infty}) \]

i mówimy, że funkcja jest zbieżna w \(+\infty\) do granicy \(g\) (rozbieżna do \(\pm \infty\)).

Analogicznie definiujemy granice w minus nieskończoności, czyli \(\LimIn{-\infty} f(x).\)

Przykład 4.7

Funkcja \(f(x) = \sin x\) nie ma granicy w \(+\infty\).

Istotnie,

  1. biorąc \(a_n = \pi n \LimToInfty +\infty\), otrzymamy \(f(a_n) = \sin \pi n = 0 \LimToInfty 0\)

  2. biorąc \(b_n = \pi \left(2n + \frac 1 2\right) \LimToInfty +\infty\), otrzymamy \(f(b_n) = \sin \pi \left(2n + \frac 1 2\right) = 1 \LimToInfty 1\).

    Ponieważ granice są różne, to definicja Heinego nie jest spełniona.

Uwaga 4.4

Wszystkie twierdzenia dotyczące granic funkcji w punkcie są prawdziwe dla granic funkcji w nieskończoności.

4.6. Zamiana zmiennej#

Narration

Niech \(f: X \to \rr\), \(x_0\in\rr \cup \Set{\pm \infty}\).

Chcemy policzyć właściwą lub niewłaściwą granicę \(\LimIn{x_0} f(x)\) domyślając się, że po zamianie zmiennych sprowadzimy ją do granicy już nam znanej.

Załóżmy, że w sąsiedztwie \(x_0\) istnieje (lokalnie) odwracalna funkcja \(y = h(x)\) i istnieje \(y_0 = \LimIn{x_0} h(x)\).

Wówczas

\[ \LimIn{x_0} f(x) = \LimIn[y]{y_0} f\circ h^{-1}(y). \]

Ćwiczenie 4.5

Policzmy \(\LimIn{\frac \pi 2} \frac{ \cos x } {2x - \pi}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 4.10, Ćw. 4.13.

4.7. Przykłady granic#

Wskazówka

Zbierzmy najważniejsze podstawowe przykłady granic funkcji:

  1. \(\LimIn{+\infty} x^\alpha = \begin{cases} 0, & \text{dla } \alpha < 0 \\ 1, & \text{dla } \alpha = 0 \\ +\infty, & \text{dla } \alpha > 0 \end{cases} \)

  2. \(\LimIn{+\infty} q^x = \begin{cases} 0, & \text{dla } 0 < q < 1 \\ 1, & \text{dla } q = 1 \\ +\infty, & \text{dla } q > 1 \end{cases} \)

  3. \(\LimIn{0^+} \log_a x = \begin{cases} +\infty, & \text{dla } 0 < a < 1 \\ -\infty, & \text{dla } a > 1 \end{cases} \)

  4. \(\LimIn{+\infty} \log_a x = \begin{cases} -\infty, & \text{dla } 0 < a < 1 \\ +\infty, & \text{dla } a > 1 \end{cases} \)

  5. \(\LimIn{0} \left(1 + x\right)^{\frac 1 x} = \LimIn[|x|]{+\infty} \left(1 + \frac 1 x\right)^x = e \)

  6. \(\LimIn{0} \frac {\sin x} x = 1 \)

  7. \(\LimIn{0} \frac {a^x - 1} x = \ln a \qquad\) dla \(a > 0 \)

  8. \(\LimIn{0} \frac {\log_a(1+x)} x = \frac 1 {\ln a} \qquad\) dla \(a>0, \alpha\neq 1 \)

  9. \(\LimIn{0} \frac {(1+x)^\alpha - 1} x = \alpha \qquad\) dla \(\alpha\in\rr .\)

Ćwiczenie 4.6

Policzmy granice:

  1. \(\LimIn{2} \frac{x^2+2x}{x^2 + 3x + 2} \)

  2. \(\LimIn{-2} \frac{x^2+2x}{x^2 + 3x + 2} \)

  3. \(\LimIn{0} \frac{\sqrt{x+4} - 2} x \)

  4. \(\LimIn{-2} \frac {x^2-4} {\arctg(x+2)} \)

  5. \(\LimIn{-\infty} \sqrt{x^2+x} + x \)

  6. \(\LimIn{+\infty} (3x + 1)\sin\frac 1 x \)

  7. \(\LimIn{+\infty}\ x\cdot {\arcctg x} .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 4.10, Ćw. 4.13.

4.8. Asymptoty funkcji#

Definicja 4.7

Prostą o równaniu \(x = c\) nazywamy:

  • lewostronną asymptotą pionową wykresu funkcji \(f:X\to \rr\), jeśli

    \[\LimIn{c^-} f(x) = \pm\infty\]
  • prawostronną asymptotą pionową wykresu funkcji \(f:X\to \rr\), jeśli

    \[\LimIn{c^+} f(x) = \pm\infty\]
  • obustronną asymptotą pionową wykresu funkcji \(f:X\to \rr\), jeśli jest lewostronną i prawostronną asymptotą pionową.

Ćwiczenie 4.7

Znajdźmy asymptoty pionowe funkcji \(\displaystyle f(x) = \frac{x^2 + 7x}{x+2}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.6, Ćw. 5.10.

Definicja 4.8

Prostą o równaniu \(y = mx + k\) nazywamy:

  • lewostronną asymptotą ukośną (poziomą jeśli \(m=0\)) wykresu funkcji \(f:X\to \rr\), jeśli

    \[ \LimIn{-\infty} f(x) - mx - k = 0 \]
  • prawostronną asymptotą ukośną (poziomą jeśli \(m=0\)) wykresu funkcji \(f:X\to \rr\), jeśli

    \[ \LimIn{+\infty} f(x) - mx - k = 0 \]
  • obustronną asymptotą ukośną wykresu funkcji \(f:X\to \rr\), jeśli jest lewostronną i prawostronną asymptotą ukośną.

Twierdzenie 4.9

Prosta o równaniu \(y = m_\pm\cdot x + k_\pm\) jest lewostronną (biorąc -)/ prawostronną (biorąc +) asymptotą ukośną wykresu funkcji \(f: X \to \rr\) wtedy i tylko wtedy, gdy

\[ m_\pm = \LimIn{\pm\infty} \frac {f(x)} x \in \rr \quad \wedge \quad k_\pm = \LimIn{\pm\infty} \Brack{ f(x) - m_\pm \cdot x } \in \rr . \]

Ćwiczenie 4.8

Znajdźmy asymptoty ukośne funkcji \(\displaystyle f(x) = \frac{x^2 + 7x}{x+2}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.6, Ćw. 5.10.

Ćwiczenie 4.9

Wyznacz równania asymptot wykresu funkcji \(f\), jeśli \(f(x)=\dfrac{x^{2}}{\sqrt{x(x-1)}}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.6, Ćw. 5.10.